آیا در یک رانشگر یونی، دمای پلاسما پس از شتاب کاهش می یابد؟
ارسال شده: سهشنبه ۱۴۰۱/۷/۱۲ - ۰۷:۳۷
در آخرین بحث در مورد چرا رانشگرهای یونی اینقدر انرژی گرسنه هستند (چرا رانشگرهای یونی اینقدر تشنه انرژی هستند؟)، مردم گفتند که این سیستم نه تنها قرار است گاز را یونیزه کند، بلکه آن را تا دمای کافی برای غلبه بر پتانسیل و ورود به آن گرم می کند. فضای شتاب این کاملا منطقی است. اما بعد از آن میپرسیدم، اگر گرما در حال تبدیل شدن به انرژی جنبشی (در یک جهت خاص، نه تصادفی) باشد، پس دمای پلاسما به محض تبدیل شدن به پرتو قرار است کاهش یابد. جریان و انرژی جنبشی آن آیا این اتفاق می افتد.. دمای پلاسما بعد از شتاب گرفتن پایین می آید؟
تا یک درجه. در یک نازل معمولی همگرا-واگرا، فشار نیرویی است که به نازل فشار می آورد. این فشار نتیجه هم چگالی و هم دمای گاز است. همانطور که گاز در سراسر نازل جریان می یابد و انرژی جنبشی بازیافت می شود، دما (و فشار) کاهش می یابد. همچنین واکنش هایی در گاز وجود دارد که می تواند بر دما تأثیر بگذارد.
از طرف دیگر، مشخصات "نازل" یک رانشگر یونی بسیار کوچک است. زمان بسیار کمی برای تبادل گرما پلاسما با رانشگر یونی در طول عبور از شبکه شتاب وجود دارد. "اپتیک" شبکه در واقع برای جلوگیری از تعامل یون ها با دیوار شبکه طراحی شده است. علاوه بر این، نیروی محرکه به جای فشار، نیروی کولن است. ما بر این تکیه می کنیم که یون دارای بار است و با میدان الکتریکی برهم کنش دارد. هیچ تلاشی برای بازیابی انرژی حرارتی پلاسما در نازل موشک وجود ندارد.
این احتمال وجود دارد که پلاسما در هنگام برهمکنش با سایر یون ها یا مواد در توده سرد شود، اما از نظر ترتیب بزرگی، به چگالی پلاسما و سیستم اطراف آن بستگی دارد. چگالی کم ماده منجر به انتقال حرارت کمی می شود (زیرا چیزی برای انتقال آن وجود ندارد).
نمونههایی از پیشرانههای الکتریکی وجود دارد که تلاش میکنند انرژی گرمایی را به انرژی جنبشی تبدیل کنند: پیشرانههای الکتروترمال و مایکروویو. آنها از یک نازل همگرا-واگرای سنتی برای بیرون راندن یک گاز گرم شده استفاده می کنند (یا توسط یک فلز مقاوم یا پلاسما گرم می شود). در حالت دوم، گاز در حین حرکت در ناحیه نازل تا حدی یونیزه می شود و انرژی حرارتی بازیابی می شود، با این فرض که نازل به خوبی طراحی شده است.
منظورم این است که اگر به نحوی بتوانیم از دمای پلاسما و همچنین از انرژی جنبشی (انرژی جنبشی پرتو) انرژی استخراج کنیم و تنها انرژی که برای ورود گاز به فضای شتاب تامین می کنیم انرژی حرارتی است، نمی توان ما انرژی بیشتری از آنچه به سیستم داده می شود تولید می کنیم؟ آیا این پایستگی انرژی را نقض نمی کند؟ کجا دارم اشتباه می کنم؟ –
خیر. منبع تمام انرژی در سیستم، انرژی الکتریکی است که به رانشگر عرضه می شود. این فقط به انرژی حرارتی (گرمایش از طریق ژول)، شارژ برای هر یون تولید شده (از طریق یونیزاسیون)، و یک میدان الکتریکی (از طریق اجرای یک بایاس ولتاژ در شبکهها) تبدیل میشود. کل توان ورودی به سیستم = انرژی یونیزاسیون + انرژی حرارتی + انرژی پرتو کل توان خروجی: انرژی پرتو انرژی یونیزاسیون و انرژی حرارتی را که به سیستم میگذاریم از دست میدهیم. می توانید سعی کنید آنها را استخراج کنید، اما به یک نازل واقعی نیاز دارید. اما پس از آن شما ضررهای اصطکاکی دارید. اینجا هیچ برد / بردی وجود ندارد. –
او عبارت "خیلی گرسنه انرژی" است. منظور من این است که رانشگرهای یونی دارای تلفات هستند، بنابراین همه اشکال دیگر پیشرانه نیز تلفاتی دارند. در مثال زیر ضرر حدود 35 درصد است. یعنی از شروع مانور تا پایان فقط 35 درصد از انرژی الکتریکی DC آن را به انرژی جنبشی پرتو مفید تبدیل نمی کند.
نمونه رانشگر یونی
پیشران XIPS که در اینجا ارائه شده است دارای ویژگی های پاکت زیر در حالت کم مصرف است:
مجموع توان ورودی (W) 2067
رانش (mN) 79
Specific Impulse (s) 3400
قرار دادن دو بیت اخیر از داده ها همراه با معادله توان پرتو نشان داده شده در این پاسخ به یک سوال متفاوت (اما معادلات برای هر نوع رانشگر، شیمیایی یا الکتریکی معتبر است) توان پرتو 1317 وات را به دست می دهد. بنابراین راندمان 1317 است. W / 2067 W و تلفات در این مورد 36٪ است.
واضح است که حدود 700 وات برای فرآیندهای پشتیبانی مانند تولید پلاسما هزینه می شود. در واقع جالب است که این موارد را با وضوح بیشتری شناسایی کنیم، اگرچه هدف این پست قرار دادن آن 36٪ در زمینه است.
رانشگرهای شیمیایی
آیا موتورهای موشک شیمیایی تفاوت اساسی دارند؟ زمینه این است که نقطه شروع انرژی شیمیایی ذخیره شده است و تلفات عمدتاً تلفات حرارتی است که اگزوز و تشعشعات نازل به دام افتاده است. این پیوند نشان می دهد که سقف معمولاً 70٪ است، یعنی 30٪ تلفات، از دیدگاه ترمودینامیک.
به طور کلی
بنابراین ممکن است دو نوع رانشگر در مجموع چندان متفاوت نباشند. واضح است که در یک سیستم به جای سطح رانشگر، مبادله دارای عوامل زیادی مانند در دسترس بودن توان به شکل الکتریکی است و اغلب به ترتیب به مبادله محدودیت های انرژی در مقابل محدودیت های توان برای مواد شیمیایی و الکتریکی تبدیل می شود.
تا یک درجه. در یک نازل معمولی همگرا-واگرا، فشار نیرویی است که به نازل فشار می آورد. این فشار نتیجه هم چگالی و هم دمای گاز است. همانطور که گاز در سراسر نازل جریان می یابد و انرژی جنبشی بازیافت می شود، دما (و فشار) کاهش می یابد. همچنین واکنش هایی در گاز وجود دارد که می تواند بر دما تأثیر بگذارد.
از طرف دیگر، مشخصات "نازل" یک رانشگر یونی بسیار کوچک است. زمان بسیار کمی برای تبادل گرما پلاسما با رانشگر یونی در طول عبور از شبکه شتاب وجود دارد. "اپتیک" شبکه در واقع برای جلوگیری از تعامل یون ها با دیوار شبکه طراحی شده است. علاوه بر این، نیروی محرکه به جای فشار، نیروی کولن است. ما بر این تکیه می کنیم که یون دارای بار است و با میدان الکتریکی برهم کنش دارد. هیچ تلاشی برای بازیابی انرژی حرارتی پلاسما در نازل موشک وجود ندارد.
این احتمال وجود دارد که پلاسما در هنگام برهمکنش با سایر یون ها یا مواد در توده سرد شود، اما از نظر ترتیب بزرگی، به چگالی پلاسما و سیستم اطراف آن بستگی دارد. چگالی کم ماده منجر به انتقال حرارت کمی می شود (زیرا چیزی برای انتقال آن وجود ندارد).
نمونههایی از پیشرانههای الکتریکی وجود دارد که تلاش میکنند انرژی گرمایی را به انرژی جنبشی تبدیل کنند: پیشرانههای الکتروترمال و مایکروویو. آنها از یک نازل همگرا-واگرای سنتی برای بیرون راندن یک گاز گرم شده استفاده می کنند (یا توسط یک فلز مقاوم یا پلاسما گرم می شود). در حالت دوم، گاز در حین حرکت در ناحیه نازل تا حدی یونیزه می شود و انرژی حرارتی بازیابی می شود، با این فرض که نازل به خوبی طراحی شده است.
منظورم این است که اگر به نحوی بتوانیم از دمای پلاسما و همچنین از انرژی جنبشی (انرژی جنبشی پرتو) انرژی استخراج کنیم و تنها انرژی که برای ورود گاز به فضای شتاب تامین می کنیم انرژی حرارتی است، نمی توان ما انرژی بیشتری از آنچه به سیستم داده می شود تولید می کنیم؟ آیا این پایستگی انرژی را نقض نمی کند؟ کجا دارم اشتباه می کنم؟ –
خیر. منبع تمام انرژی در سیستم، انرژی الکتریکی است که به رانشگر عرضه می شود. این فقط به انرژی حرارتی (گرمایش از طریق ژول)، شارژ برای هر یون تولید شده (از طریق یونیزاسیون)، و یک میدان الکتریکی (از طریق اجرای یک بایاس ولتاژ در شبکهها) تبدیل میشود. کل توان ورودی به سیستم = انرژی یونیزاسیون + انرژی حرارتی + انرژی پرتو کل توان خروجی: انرژی پرتو انرژی یونیزاسیون و انرژی حرارتی را که به سیستم میگذاریم از دست میدهیم. می توانید سعی کنید آنها را استخراج کنید، اما به یک نازل واقعی نیاز دارید. اما پس از آن شما ضررهای اصطکاکی دارید. اینجا هیچ برد / بردی وجود ندارد. –
او عبارت "خیلی گرسنه انرژی" است. منظور من این است که رانشگرهای یونی دارای تلفات هستند، بنابراین همه اشکال دیگر پیشرانه نیز تلفاتی دارند. در مثال زیر ضرر حدود 35 درصد است. یعنی از شروع مانور تا پایان فقط 35 درصد از انرژی الکتریکی DC آن را به انرژی جنبشی پرتو مفید تبدیل نمی کند.
نمونه رانشگر یونی
پیشران XIPS که در اینجا ارائه شده است دارای ویژگی های پاکت زیر در حالت کم مصرف است:
مجموع توان ورودی (W) 2067
رانش (mN) 79
Specific Impulse (s) 3400
قرار دادن دو بیت اخیر از داده ها همراه با معادله توان پرتو نشان داده شده در این پاسخ به یک سوال متفاوت (اما معادلات برای هر نوع رانشگر، شیمیایی یا الکتریکی معتبر است) توان پرتو 1317 وات را به دست می دهد. بنابراین راندمان 1317 است. W / 2067 W و تلفات در این مورد 36٪ است.
واضح است که حدود 700 وات برای فرآیندهای پشتیبانی مانند تولید پلاسما هزینه می شود. در واقع جالب است که این موارد را با وضوح بیشتری شناسایی کنیم، اگرچه هدف این پست قرار دادن آن 36٪ در زمینه است.
رانشگرهای شیمیایی
آیا موتورهای موشک شیمیایی تفاوت اساسی دارند؟ زمینه این است که نقطه شروع انرژی شیمیایی ذخیره شده است و تلفات عمدتاً تلفات حرارتی است که اگزوز و تشعشعات نازل به دام افتاده است. این پیوند نشان می دهد که سقف معمولاً 70٪ است، یعنی 30٪ تلفات، از دیدگاه ترمودینامیک.
به طور کلی
بنابراین ممکن است دو نوع رانشگر در مجموع چندان متفاوت نباشند. واضح است که در یک سیستم به جای سطح رانشگر، مبادله دارای عوامل زیادی مانند در دسترس بودن توان به شکل الکتریکی است و اغلب به ترتیب به مبادله محدودیت های انرژی در مقابل محدودیت های توان برای مواد شیمیایی و الکتریکی تبدیل می شود.